小型低值LD激光测距仪的测距能力

　　1　引言

　　半导体激光二极管(LD)具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、对人眼安全、低值等一系列优点。90年代国外开始大力发展LD激光雷达,在中、短程激光雷达应用方面有取代YAG激光雷达的趋势,近年来又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用于家庭的LD激光测距仪,既能作为望远镜又具有测距功能。1996年美国Bushnell公司推出了测距能力为400码(365 m)的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价的LD激光测距仪Yardage 400,巳被评为1997年世界一百项重要科技成果之一。1997年Bushnell公司在Internet网上又推出测距能力为800码(732 m)的800型激光测距仪。1998年美国Tasco公司研制出测距能力为800码(732 m)的摄像机型Lasersite LD激光测距仪。

　　从1996年起我们与国内外合作开发了LD两种型号(一种光学三分离式的;一种接收与瞄准结合的光学望远镜式的)低价、省电、便携式激光测距机,测距能力达1 km,测距精度小于±1 m,测距能力优于美国同类的激光测距仪的测距能力。

　　近十年来,国内外正大力发展对人眼安全的近红外长波段1 550 nm激光测距仪,采用固体激光器和光波变频器,但结构复杂,造价贵,难于工程化。近年来,近红外长波段、窄脉宽、高功率脉冲半导体激光二极管已趋成熟,为长波段小型LD激光测距仪的实用化创造了有利条件。

　　2　光子测距方程

　　激光测距仪是一种典型的光子雷达系统,主要依据光时域反射(OTDR)技术,时间域与空间域是对应的,空间距离(L)对应于时间间隔(Δt)

　　根据光时域反射技术,考虑到大气衰减、光学系统的透过率和目标的反射特性,给出了光子测距方程

　　式中,NE、NR分别为激光测距仪中LD每个激光脉冲发射的光子数与接收的光子数;τT、τR分别为激光测距仪发射物镜和接收物镜的透过率;μ为大气的线性衰减系数,用dB/km表示;ρ为目标反射率;φ为目标法线方向与观察方向的夹角;D为接收物镜通光孔径;L为目标的距离。

　　在不同大气条件下,当目标的反射率ρ=0.3(相当于秋天的落叶林、混凝土) ,表2给出不同气象条件下,不同距离接收到每个激光脉冲的光子数。如图2所示。

　　3　LD激光测距仪的结构

　　LF1系列半导体激光测距仪的结构如图3所示。

　　系统主要有五部分组成:(1)Tx:由高功率窄脉宽脉冲激光器、驱动电源和红外发射物镜组成的发射机组件;(2)Rx:由高灵敏度低噪声红外光电二极管、接收、放大电路和红外接收物镜、红外滤光片组成的接收机组件;(3)CPU:由信号处理、距离测量、模式处理、CPU芯片和LCD显示器组成的中央处理装置;(4)PSU:省电电源模块:由逻辑电路控制的供电电源;(5)OA:带有分划板的光学瞄准望远镜或双目望远镜。